煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降机理与应用探讨.doc

煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降机理与应用探讨 王金庄 康建荣 吴立新 摘要 对采动覆岩离层发展的时空规律、离层带注浆减沉效果评价方法和离层带注浆减缓地表下沉在建（构）筑物下采煤中的应用等问题进行了探讨.认为在相同地质采矿条件下，离层带高度随采空区尺寸变化而变化，当采空区尺寸达到充分采动尺寸后，离层带高度达到该条件下的最大值；准确地评价注浆效果应是根据同一采区实施注浆后的实测地表下沉盆地体积与未实施注浆的实测下沉盆地体积比较而定. 关键词 离层注浆，地表沉降，效果评价 中图分类号 TD 325 Disccussion on Mechanism and Application of Grouting in Separated-Bed to Reduce Surface Subsidence Induced by Coal Mining Wang Jinzhuang Kang Jianrong Wu Lixin Department of Resource Exploitation Engineering, CUMT, Beijing 100083 Abstract Some problems about the of grouting in separated-bed to reduce surface subsidence are discussed. These problems are the principle of bed-separation developing in the overburden strata disturbed by extraction, the of estimating the result of reducing surface subsidence and its application in coal mining under buildings. By analyzing, it is considered that the height of a bed-separation zone varies with the working face length in the same geological and mining conditions. When the length of working face reaches the critical mining length, the maximum height of bed-separation occurs. The result of reducing subsidence should be estimated on the basis of the ratio of the volume of actully measured subsidence basin for filling in the bed-separation zone to that of the subsidence basin for unfilling in the bed-separation zone. Key words grouting in separated-bed , subsidence, effect estimating of reducing subsidence 矿山岩层移动过程中的层间分离现象，50年代末原苏联的开采沉陷学者根据岩体内部移动观测和相似材料模拟实验已经发现［1］，后来一些学者对采动覆岩内部离层的形成和发展规律进行了实地观测和理论研究［2，3］，70年代末至80年代初进行了离层注浆减缓地表沉降的现场试验. 自80年代后期抚顺矿务局*在我国首次采用覆岩离层带注浆减缓地表沉降的试验取得成功之后，此项技术引起了我国从事开采沉陷及“三下”采煤的专家和现场工程技术人员的重视，先后有大屯徐庄煤矿［4］、新汶华丰煤矿［5］、兖州东滩煤矿**等进行了离层注浆减缓地表沉降现场试验.有的硕士、博士研究生以此为论文题目进行理论研究，科技工作者以此技术为题立项进行研究，所有这些都取得了一定的成果，为该项技术做出了贡献. 煤矿离层带注浆是减缓地表沉降的新途径，但到目前为止，在理论上和技术上还都不成熟，还有许多问题需要进一步进行理论探讨和实践验证. 1 采动覆岩破坏机理及离层发展时空规律 在采用长壁工作面全部垮落法开采时，回采工作面从开切眼开始，推进到一定距离后，上覆岩层开始破坏.采空区上方岩层在上覆岩层重力作用下，由于受拉应力和剪应力的作用，直接顶首先破断、垮落，垮落的不规则岩块充填采空区，形成垮落带.直接顶以上的岩层依次产生离层、弯曲下沉和垂直于层面的裂缝，其破坏范围呈拱形，如图1所示. 随着回采工作面的扩大，工作面由位置1推进到位置2或3，直接顶板以上岩层在纵向和横向的破坏范围逐渐扩大，此破坏过程自下而上依次向上传递.随着距采空区距离的增大，破坏过程逐渐由剧烈变缓慢.这种破坏过程发展到一定高度后，上部离层裂缝的保留时间比下部离层裂缝保留时间相对长些，而垂直于层面的裂缝变弱、连通性差，如图2所示.特别当在这一区域存在有相对较厚而坚硬的岩层时，岩层依次分层弯曲下沉非同步现象更明显，因而更易出现较大离层裂缝.这种离层裂缝的大小、位置和保留时间的长短与岩层性质和结构有关.这种相对厚而坚硬的岩层是形成较大离层裂缝并相对保留较长时间的好条件，它对地表沉陷起控制作用.它一方面阻遏其下伏岩层垮落、断裂趋势向上发展，一方面又托住或减缓其上覆直至地表的岩土层向下移动.我们称这种厚而坚硬的岩层为托板或控制层［6，7］. 从离层注浆角度，我们称离层裂缝保留时间相对长一些，而垂直于层面的裂缝少或不出现，且导 图1 采动覆岩破坏和移动范围发展示意图 Fig.1 The breakage and movement scope of overburden strata due to coal mining 图2 采动覆岩破坏和移动分带示意图 Fig.2 The breakage and movement zones of overburden strata due to coal mining 水性差的区域为离层带.离层带实际上是由断裂带上部分出的一个特殊区域. 垮落带之上直至离层带顶部的破坏区域为断裂带，离层带之上直至地表为弯曲带，如图2所示. 离层带的位置和离层空间的大小除与开采厚度及上覆岩层的性质和结构有关外，还与采空区尺寸密切相关.随着井下开采空间的变化，离层裂缝经历了一个由产生、发展到闭合的动态过程. 图1是在煤层倾斜（垂直于纸面方向开采尺寸为无限大（充分采动），沿走向方向随着采空区尺寸扩大上覆岩层破坏和移动范围发展典型示意图.当采空区尺寸较小如为l1,l2时，覆岩内部破坏范围很小，覆岩沉陷传递不到地表，地表不出现沉陷.当采空区达到一定范围后，覆岩内断裂带上部开始产生离层带，此时如果采空区尺寸不继续扩大，离层带发育不充分，而且还可能保留较长时间，如采空区尺寸为l3，l4，l5，l6时.只有当采空区达到一定范围后，如图1中的B点，采空区尺寸为l7时一般l71.2～1.4H,覆岩破坏高度达到最大为h7，离层带在纵向和横向方向也发展到最大尺寸，此时称达到了充分采动.此后，采空区尺寸继续扩大，覆岩破坏高度（包括离层带高度）将基本保持定值不变，离层裂缝将尾随回采工作面的推进而向前重复其发生、发展和闭合过程.最大离层空间滞后回采工作面一段距离，此距离主要与上覆岩层的性质、结构和工作面推进速度等因素有关，一般应根据实测和对具体地层结构及地质采矿条件综合分析而定.实践中，宜注浆的离层空间起始位置，做为一种近似方法，可从工作面处用ψ角（一般,ψ65～75）确定.生产实践中，倾斜方向工作面的长度多介于100～200 m之间，尽管一般在走向方向上开采范围可以达到充分采动尺寸，但由于开采深度多超过400 m，所以在倾斜方向上一般都达不到充分采动，甚至是极不充分采动.在这种情况下，覆岩内部破坏达不到充分采动情况下的最大破坏高度h7，离层裂缝得不到充分发展，达不到最大离层空间，地表下沉达不到最大值.在这种情况下，开采第一个工作面后，沿倾斜方向如果再回采第二、第三工作面时，覆岩破坏高度、离层带高度和离层裂缝空间均会继续扩大，因而必然会引起地表沉陷继续增大和加剧.因此，评价离层注浆效果时必须考虑这种影响. 2 离层带注浆减沉效果的评价方法 根据文献报导，我国抚顺、大屯、兖州、新汶等矿务局的离层注浆减沉效果一般都在50～65，最大者达82，最小者为36.波兰卡托维茨工业大学J Palaski于1989年在充填采矿一文中提到波兰的离层带注浆减沉效果为20～30［8］. 以上这些注浆减沉效果的数字给我们提出了一个问题，即离层带注浆减沉效果究竟能达到多大，这是评价离层带注浆在“三下”采煤中可否推广应用的关键问题.为此，从理论上需回答以下两个问题. 其一是采动覆岩内产生可供注浆充填的离层空间有多大，它占开采空间的百分比是多少这是一个尚未解决的需进一步研究的问题.据有关资料统计分析表明，垮落带、断裂带中的空间约占开采空间的50～60，而在采动岩层形成离层带之前地表已产生微量沉降，地表出现微型下沉盆地，其体积约占开采空间的10左右.文献［2］根据深部钻孔测点观测得出，离层带内的离层空间约占整个开采空间的20左右.由此可以粗略估计离层带内的离层空间最大占开采空间的30～40.因此，离层注浆减沉效果最大可能达到开采空间的30～40. 其二是离层带注浆减沉效果评价方法.离层带注浆减沉效果的计算方法应是设某一工作面开采未实施注浆减沉技术的下沉盆地体积为Vm，实施注浆减沉技术后的下沉盆地体积为Vz，则减沉效果应按100计算，而 Vm∫AmWmx,ydxdy∫AmWmCxCydxdy ∫AmqmMcos αCxCydxdy 1 Vz∫Az Wzx,ydxdy∫AzWzmCxCydxdy ∫AzqzMcos αCxCydxdy 2 式中Am，Az分别为工作面开采后未实施和实施注浆减沉技术的下沉盆地范围面积；qm，qz分别为工作面开采后未实施和实施注浆减沉技术的地表最大下沉率；M，α分别为开采煤层的厚度和倾角；Wm,Wzm分别为同一工作面开采未实施和实施注浆减沉技术的地表最大下沉值. 由于开采面积相同，因而由边界角确定的下沉盆地边界相同，所以可以认为Am≈Az，从而有 3 因而实践中准确地评价注浆效果可简化为根据同一工作面实施注浆时的实测最大地表下沉率qz和未实施注浆时的实测最大地表下沉率qm 按式（3）进行计算. 如果无实测资料，用预计方法求取未实施注浆情况下的地表下沉数据，由于预计方法、参数选择等不同，因而求出的减沉率肯定会有很大的误差，它不能反映离层注浆的真实减沉效果. 例如，某试验点的地质采矿条件为采深H529 m，工作面走向长L2960 m，倾斜长L1110 m，采厚M2.6 m，煤层倾角α20.实施注浆后实测地表最大下沉值Wz678 mm，其地表最大下沉率.由于没有未实施注浆情况下的实测地表最大下沉值，用3种方法计算减沉效果1 用预计方法求出地表最大下沉值Wm2 100 mm（充分采动），其地表最大下沉率qm0.8,减沉率 考虑采动程度，按概率积分法预计未实施注浆情况下的地表最大下沉值Wm1 123 mm，地表最大下沉率qm0.43，减沉率10040. 3 按概率积分法对整个观测线上10个点在未实施注浆情况下的地表下沉进行预计，根据预计结果与相应点实施注浆情况下的实测结果比较，计算出各点的减沉率，其变化范围为2.7～66.3，平均值为37. 以上实例计算说明，对同一注浆试验，由于没有未实施注浆情况下的实测地表下沉数据，采用预计方法求取，因采用的预计方法不同，求得的减沉效果相差很大，说明这种计算结果不能反映注浆的真实减沉效果.但考虑采动程度的预计结果可能比较接近真实减沉效果. 3 离层带注浆减缓地表沉降在建（构）筑物下采煤中的应用 离层带注浆减缓地表沉降是一种减缓地表下沉的新技术，为了在实践中应用，必须客观、正确地评价其减沉效果.任何一种技术都有其使用范围，不可能在任何情况下都适用.我们认为其可能的适用范围是 1） 建筑物下薄煤层开采.根据前面的分析，离层注浆减沉效果一般应在30左右，最大达40.如果原来地表下沉为1 000 mm，则实施离层注浆后地表下沉可减至600～700 mm，对建筑物保护是有利的.如果煤层较厚，采后地表下沉较大，如为3 000 mm，实施离层注浆后地表下沉仍可达1 800～2 100 mm.在这种情况下，保护地面建筑物就有一定困难.如果是特厚煤层放顶煤开采，采用离层注浆减缓地表下沉保护地面建筑物就更困难. 2） 减缓地表下沉，保护地面环境.我国一些煤田地表潜水位较高，地表塌陷后地下潜水位即可达到地面，在地面形成沼泽，严重破坏了地面环境.在这种情况下，如果采用离层注浆可以减缓地表下沉，使地表潜水位不致达到地面，从而达到保护地面环境的目的. 4 结 论 1 在相同的地质采矿条件下，离层带高度随采空区尺寸变化而变化，当采空区尺寸达到充分采动尺寸后，离层带高度达到该条件下的最大值. 2 当采空区尺寸为非充分采动时（一般开采条件均属这种情况），进行离层注浆后，相邻工作面继续回采，地表沉陷的“活化”将比正常的重复采动“活化”剧烈.因此，在第一个工作面进行离层注浆开采后，尚不能对注浆效果进行评价. 3 准确地评价注浆效果应根据同一采区实施注浆后的实测地表下沉盆地体积与未实施注浆的实测下沉盆地体积比较而定.实践中具体计算时可简化用两种情况下的实测地表最大下沉率来衡量离层注浆减沉效果. 注*范学理，赵德深.减缓矿区地表沉陷的新途径.全国矿山测量学术会议，1991，唐山 **黄培竹，李香臣.放顶煤条件下覆岩离层注浆减缓地表沉陷研究.矿山测量专业委员会第15届学术会议，1998，庐山 作者简介王金庄，男，1933年生，教授，博士生导师 作者单位中国矿业大学资源开发工程系 北京 100083 参考文献 1 ВНИМИ. сдвижение горных пород и земной поверхности в главнейших угольных бассейнах СССР.Москвауглетехизда т,1958.72～73 2 Канлыбаева Ж М. Закономерность сдвижения горных пор од в мас сиве. МоскваНедра,1968.82～84 3 Морин С В, Барсуков И В. Характер деформирования подработанной массива горных пород в зоне обрушений и интенсивных росслоений . Иэв Вузов. Горный журнал, 1987 939～41 4 孟以猛,吕振先. 高压注浆减缓地表沉陷技术在大屯矿区的应用. 世界煤炭技术，1993（4）24～26 5 毛仲玉，王学民. 浮选尾矿水注浆充填控制地表斑裂下沉. 煤炭科学技术，1995，23426～29 6 吴立新，王金庄，刘延安等著.建（构）筑物下压煤条带开采理论与实践. 徐州中国矿业大学出版社，1994.49～50 7 吴立新，王金庄. 放顶煤开采地表沉陷控制途径探讨. 见吴键主编.综采机械化放顶煤开采论文集. 徐州中国矿业大学出版社，1995.133～136